好奇号火星探测器着陆缓冲系统

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1、好奇号火星探测器着陆缓冲系统国外月球和行星探测器的着陆缓冲系统的基本类型包括软着陆机构、气囊缓冲装置和空中悬吊机结构。其中空中悬吊机结构由空中悬吊机及其推进系统等组成，具有着陆速度低、冲击小和安全可靠的特点，在美国“火星科学实验室”的好奇心号巡视器上得到了应用。一、空中悬吊机的组成和应用空中悬吊机又称为天空起重机，是一种新型下降与着陆装置。它采用全新的技术，用于探测器在行星表面着陆。美国“火星科学实验室”的火星表面巡视器好奇心号（Ｃｕｒｉｏｓｉｔｙ）的着陆首次采用了这种新型装置。二、空中悬吊机的组成和工作过程“火星科学实验室”所采用的触

2、地（Ｔｏｕｃｈｄｏｗｎ）技术是进入、下降与着陆（ＥＤＬ）体系结构最为创新的部分。该项技术称为“空中悬吊机机动”。整个空中悬吊机系统由下降级、牵引缆绳和电缆以及推进、制导、导航与控制系统等组成。空中悬吊机的工作过程包括：从缓慢下降的下降级上降下系在３根牵引缆绳上的着陆器，直到缆绳完全展开达到７．５ｍ的长度。着陆器以０．７５ｍ／ｓ的不变速度持续垂直下降，直到通过缆绳持续卸载而探测到巡视器触地为止。空中悬吊机的体系结构表现出优于传统着陆方法（上述气囊和软着陆着陆器）的特点。它无需气囊、吸振结构（或吸振着陆腿）及出舱系统；但需要推进系统和制导、

3、导航与控制系统，使发动机和推进器保持离开行星表面，从而降低表面相互作用（如灰尘挖掘和开沟），同时在着陆动作期间实现闭环控制。牵引缆绳消除着陆动作以及来自下降级控制器的相关干扰的影响。此外，与许多传统的触地传感器不同，在牵引缆绳发生卸载后呈现持续的触地信号。由于触地时持续的绳系状态，以及触地速度很低，因此空中悬吊机系统比其他着陆系统具有更大的触地稳定性，并经受更小的冲击载荷。高稳定性和低加载（相当于巡视器冲击载荷）意味着，不再需要独立的触地系统，而且可以取消“出舱”步骤。更确切地说，专门为表面相互作用而设计的巡视器摇杆转动悬挂机构就是触地

4、系统，它处于适当位置以便着陆后立即开始操作。此任务步骤如图所示。空中悬吊机工作阶段三、空中悬吊机的着陆机理当下降级沿着不变速度参考轨迹运动时，预定垂直推力等于该系统所受的重力。着陆前，预定垂直推力将等于重力加速度与下降级和巡视器综合质量的乘积。着陆后，巡视器的质量由表面支撑，缆绳卸载，所预定的垂直推力将降低约１／２。推力在着陆后持续降低，其原因是垂直下降参考轨迹不变，保证牵引缆绳持续卸载。着陆算法利用这种固有的卸载，通过依靠预定垂直推力感知着陆动作。一旦实现，着陆机理监控预定垂直推力达到一个持续值，该值与下降级所受重力一致。四、空中悬吊

5、机的应用实例美国“火星科学实验室”的好奇心号巡视器的着陆缓冲系统。“火星科学实验室”携带的好奇心号巡视器成功在火星表面着陆，实现了使质量为９００ｋｇ的有效载荷在火星着陆，这是迄今为止人类送上火星的最大质量的巡视器。“火星科学实验室”由巡航级、下降级、表面巡视器、进入气动外壳（隔热罩和后壳）组成。进入气动外壳的直径为４．５ｍ，高为３．６ｍ。“火星科学实验室”的发射状态构型和巡航状态构型如图所示。ＨＲＳ为热耗散系统，ＲＴＧ为放射性同位素热电发生器“火星科学实验室”的好奇心号巡视器在火星上的着陆质量较大，ＮＡＳＡ在继承“海盗”系列软着陆技术的

6、基础上设计了一个新的进入、下降与着陆系统。“火星科学实验室”是首个采用精确着陆技术进行软着陆的探测器，同时它还具有在整个进入、下降与着陆过程中接收信息的能力。好奇心号的着陆精度范围直径能达到２０ｋｍ，而其他探测器的着陆精度范围直径都为数百千米。五、“火星科学实验室”的下降与着陆过程“火星科学实验室”的整个进入、下降与着陆过程包括火星大气层外调整、受控进入火星大气层、超声速降落伞展开下降、动力制动下降和空中悬吊机下降５个阶段。其中降落伞展开后的下降与着陆过程示意图如图所示。　“火星科学实验室”下降和着陆过程示意图　　“火星科学实验室”在制

7、动下降和空中悬吊机最终下降阶段，采用了全新的空中悬吊机技术。当降落伞使探测器减速、隔热罩分离之后，下降级从后壳分离；下降级利用８台可控发动机使探测器进一步减速，随后将工作发动机数量减少至４台；当探测器速度减为０时，好奇心号从下降级中释放出来，并“吊”在下降级下方７．５ｍ处；好奇心号着陆时，下降级悬浮在好奇心号上方，在确定好奇心号着陆并等待２ｓ之后，爆炸装置起爆驱动切割器切断缆绳和电缆，下降级随后飞离并坠落在其他地方，至此完成着陆。空中悬吊机释放好奇心号直至其着陆的构想过程如图所示。　“火星科学实验室”进入、下降和着陆过程六、空中悬吊机系

8、统的构型空中悬吊机系统包括３根降低巡视器的脐状牵引带（ＢＵＤ），以及１根在下降级和巡视器之间传输电信号的脐状电缆。利用３根“脐状牵引带”，巡视器从下降级降至火星表面，此时牵引带完全展开（长７．５ｍ）。在整个